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In der vorliegenden Arbeit wurden die Eigenschaften heißer dichter Kernmaterie in relativistischen Schwerionenkollisionen mit Hilfe transporttheoretischer Methoden untersucht. Dabei wurden über einen weiten Energiebereich von 1 A GeV am GSI/SIS18 über BNL/AGS und GSI/SIS200 bis hin zu 160A GeV Einschußenergie am CERN/SPS verschiedene Observablen diskutiert und mit eigenen Modellrechnungen verglichen. Zunächst wurden in Kapitel 1 in die theoretischen Grundlagen der mikroskopischen Transporttheorie eingeführt und die wichtigsten semiklassischen mikroskopischen Transportmodelle vorgestellt. Das unter eigener Mitwirkung am Institut für Theoretische Physik entstandene Transportmodell, das UrQMD-Modell, wurde im Rahmen dieser Arbeit bis zur Versionsnummer 1.3 verbessert und erweitert. Das Modell und ein Überblick verschiedener Observablen im Modell wurden bereits früher gemeinsam publiziert. Die ausführliche Diskussion dieses Modells in der jetzigen Fassung findet sich in Kapitel 2. Besonders der komplexe Kollisionsterm wird detailliert und systematisch beschrieben. Wo vorhanden, werden die implementierten Kanäle und Wirkungsquerschnitte den experimentellen Daten gegenübergestellt. In Kapitel 3 wurde eine Methode zur relativistisch korrekten Berechnung von Baryon und Mesonendichten sowie von Energiedichten entwickelt. Mit dieser Methode konnten Zeitentwicklungen und Ortsraumverteilungen von Dichten im Bereich von 1 bis 160 A GeV erstellt werden. Im Vordergrund der Analysen stand die Fragestellung, welches Raum-Zei-tVolumen die Hochdichtephase in Abhängigkeit von der Einschuß energie einnehmen kann. Bemerkenswertes Ergebnis dieser Untersuchungen war, daß die maximal erreichbare Dichte zwar mit der Einschußenergie monoton ansteigt, je doch eine besonders ausgedehnte und langlebige Phase hoher Baryonendichte bei Einschußenergien zwischen 5 und 10 GeV/Nukleon erreicht wird. Auch wurde am Beispiel des Systems Uran-Uran bei 23 A GeV untersucht, inwieweit durch den Einsatz deformierter Kerne die Hochdichtephase intensiviert werden kann. Die Rechnungen haben gezeigt, daß die vorhergesagte Steigerung der Baryondichte um 30% bei Verlängerung der Hochdichtephase um 50% nicht realistisch ist. In weiteren Analysen wurden die in Schwerionenkollisionen erreichbaren Energiedichten diskutiert, sowie eine Interpretation der nichtformierten Hadronen als ein "partonischer" Freiheitsgrad vorgestellt. Es hat sich gezeigt, daß der partonische Beitrag zur Energiedichte vor allem in der Frühphase der Kollision bei weitem überwiegt. Im Kapitel 4 wurde ein Modell zur Produktion von Kaonen in der Nähe der Produktionsschwelle vorgestellt. Die elementaren Produktionskanäle wurden hier über hoch massige Resonanzen modelliert, im Gegensatz zu anderen vorgeschlagenen Modellen, die direkte Parametrisierungen vornehmen. Desweiteren wurden alle implementierten Produktions und Streukaäale von seltsamen Hadronen im Vergleich mit experimentellen Daten diskutiert. Das Kapitel 5 widmete sich ausschließlich der Produktion von Mesonen bei SIS18 Energien. Zunächst wurde ausführlich auf den Produktions und Absorptionsprozeß von Pionen im System Pi-N-Delta eingegangen. Sowohl Spektren als auch Multiplizitäten in Abhängigkeit von der Anzahl an Partizipanten im UrQMD wurden mit experimentellen Daten von TAPS und FOPI verglichen. Die Ergebnisse legen nahe, daß die Pionproduktion bis 2 A GeV im Rahmen der mikroskopischen Transporttheorie vollständig verstanden werden kann, wenn neben dem Delta1232 auch alle höheren Resonanzzustände sowie multiste-pAnregungen in die Rechnung einbezogen werden. Auch die Produktion von Kaonen in Abhängigkeit von der Anzahl an Partizipanten und der Systemgröße wurde diskutiert. Auch hier können die gemessenen Zusammenhänge qualitativ im Rahmen des mikroskopischen Modells verstanden werden. Zum Abschluß des Kapitels wurden Ausfrierzeiten, radien und dichten für einzelne Baryonen und Mesonenspezies analysiert. Zentrales Ergebnis dieser Untersuchungen ist, daß es bei einer Schwerionenreaktion keineswegs zu einem simultanen Ausfrieren aller Hadronspezies bei gleicher Dichte und gleichem Radius kommt, sondern daß die Ausfrierverteilungen eine komplexe Zeit und Ortsraumstruktur aufweisen, die u.a. von den Wirkungsquerschnitten und Produktionsmechanismen für die einzelnen Spezies abhängt. In Kapitel 6 wurden die erst kürzlich publizierten Daten der NA49Kollaboration bei 40, 80 und 160 A GeV einer detaillierten Analyse mit dem UrQMD-Modell unterzogen, sowie Vorhersagen für die geplanten Messungen bei 20 A GeV gemacht. Es konnte gezeigt werden, daß es für den Vergleich von Modellrechnung mit dem Experiment notwendig ist, genau die gleiche Zentralitätsbestimmung wie im Experiment zu benutzen. Eine einfache Beschränkung auf ein festes Stoßparameterintervall führt zur Selektion einer falschen Gruppe von Ereignissen. Ein Vergleich des Abstoppverhaltens von Protonen, Hyperonen, Antiprotonen und Antihyperonen hat gezeigt, daß zwar die Dynamik der Baryonen im Rahmen des UrQMD-Modells gut verstanden werden kann, jedoch die Produktion der Antibaryonen um ein mehrfaches unterschätzt wird. Verschiedene Erklärungsmodelle, wie screening oder die Verletzung des detaillierten Gleichgewichts bei Stringzerfällen wurden diskutiert. Auch der starke Einfluß der Implementierung von Annihilationskanälen konnte aufgezeigt werden. Zum Schluß des Kapitels wurde die Produktion von Kaonen und Antikaonen im Modell und im Experiment einer genauen Analyse unterzogen. Die Modellrechnungen legen nahe, daß bei SPS-Energien weder Kaonen noch Antikaonen als direkte Signael der frühen Phase der Kollision betrachtet werden können. Zwar wird die Gesamtseltsamkeit des Systems im wesentlichen in den ersten, harten Kollisionen erzeugt, jedoch finden hinterher noch zahllose Kollisionen mit Seltsamkeitsaustausch statt, bevor Kaonen und Antikaonen endlich ausfrieren. Im letzten Kapitel schließlich wurden die Analysen auf die Daten vom BNL/AGS ausgedehnt und ein vergleichender Überblick über den gesamten Energiebereich von SIS18 bis SPS vorgenommen. Um die Robustheit sowohl der Observablen als auch der mikroskopischen Transporttheorie zu testen, wurden bei acht Energien die Form der Spektren von Protonen, Pionen, Kaonen, Lambdas und Sigmas in Rechnungen mit zwei unabhängigen Transportmodellen und den experimentellen Daten verglichen. Desweiteren wurden für alle Spektren sowohl die 4-Pi -Daten als die Werte bei Mittrapidität ermittelt und als Funktion der Einschußenergie mit den experimentellen Daten verglichen. Schließlich wurden aus den Multiplizitäten Hadron-Hadron-Verhältnise gebildet und diese wiederum mit den Daten verglichen. Neben vielen interessanten Detailerkenntnissen konnte das folgende grobe Bild entwickelt werden: Die korrekte Produktion von Seltsamkeit, sowohl in Hyperonen als auch in Kaonen, gelingt beiden hadronischen Modellen, ohne daß besondere nichthadronische Effekte angenommen werden müßten, über den gesamten Energiebereich. Die Pionproduktion wird bei den verschiedenen Energien mal von dem einen, mal von dem anderen Modell besser beschrieben, nie jedoch sind die Abweichungen größer als etwa 20%. Die Teilchenverhältnisse, deren qualitativer Verlauf ein mögliches Signal für einen Phasenübergang sein soll, werden trotz guter Beschreibung der Pionen und sehr guter Beschreibung der Kaonen von beiden Modellen qualitativ völlig unterschiedlich vorhergesagt. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Rechnungen legen also nahe, daß zum einen die Rolle der Seltsamkeitsproduktion als Indikator für nichthadronische Physik überdacht werden sollte, und zum anderen der qualitative Verlauf des K +/Pi -Verhältnisses aufgrund der geringen Fehlertolleranz nicht als belastbarer Beweis eines Phasenübergangs gesehen werden sollte.
We investigate hadron production as well as transverse hadron spectra in nucleus-nucleus collisions from 2 A.GeV to 21.3 A.TeV within two independent transport approaches (UrQMD and HSD) that are based on quark, diquark, string and hadronic degrees of freedom. The comparison to experimental data demonstrates that both approaches agree quite well with each other and with the experimental data on hadron production. The enhancement of pion production in central Au+Au (Pb+Pb) collisions relative to scaled pp collisions (the 'kink') is well described by both approaches without involving any phase transition. However, the maximum in the K+/Pi+ ratio at 20 to 30 A.GeV (the 'horn') is missed by ~ 40%. A comparison to the transverse mass spectra from pp and C+C (or Si+Si) reactions shows the reliability of the transport models for light systems. For central Au+Au (Pb+Pb) collisions at bombarding energies above ~ 5 A.GeV, however, the measured K +/- m-theta-spectra have a larger inverse slope parameter than expected from the calculations. The approximately constant slope of K+/-spectra at SPS (the 'step') is not reproduced either. Thus the pressure generated by hadronic interactions in the transport models above ~ 5 A.GeV is lower than observed in the experimental data. This finding suggests that the additional pressure - as expected from lattice QCD calculations at finite quark chemical potential and temperature - might be generated by strong interactions in the early pre-hadronic/partonic phase of central Au+Au (Pb+Pb) collisions.
The behavior of hadronic matter at high baryon densities is studied within Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics (URQMD). Baryonic stopping is observed for Au+Au collisions from SIS up to SPS energies. The excitation function of flow shows strong sensitivities to the underlying equation of state (EOS), allowing for systematic studies of the EOS. Dilepton spectra are calculated with and without shifting the rho pole. Except for S+Au collisions our calculations reproduce the CERES data.
We investigate hadron production and transverse hadron spectra in nucleus-nucleus collisions from 2 A·GeV to 21.3 A·TeV within two independent transport approaches (UrQMD and HSD) based on quark, diquark, string and hadronic degrees of freedom. The enhancement of pion production in central Au+Au (Pb+Pb) collisions relative to scaled pp collisions (the ’kink’) is described well by both approaches without involving a phase transition. However, the maximum in the K+ p+ ratio at 20 to 30 A·GeV (the ’horn’) is missed by ~ 40%. Also, at energies above ~5 A·GeV, the measured K± mT-spectra have a larger inverse slope than expected from the models. Thus the pressure generated by hadronic interactions in the transport models at high energies is too low. This finding suggests that the additional pressure - as expected from lattice QCD at finite quark chemical potential and temperature - might be generated by strong interactions in the early pre-hadronic/partonic phase of central heavy-ion collisions. Finally, we discuss the emergence of density perturbations in a first-order phase transition and why they might affect relative hadron multiplicities, collective flow, and hadron mean-free paths at decoupling. A minimum in the collective flow v2 excitation function was discovered experimentally at 40 A·GeV - such a behavior has been predicted long ago as signature for a first order phase transition.
We analyze the reaction dynamics of central Pb+Pb collisions at 160 GeV/nucleon. First we estimate the energy density pile-up at mid-rapidity and calculate its excitation function: The energy density is decomposed into hadronic and partonic contributions. A detailed analysis of the collision dynamics in the framework of a microscopic transport model shows the importance of partonic degrees of freedom and rescattering of leading (di)quarks in the early phase of the reaction for E >= 30 GeV/nucleon. The energy density reaches up to 4 GeV/fm 3, 95% of which are contained in partonic degrees of freedom. It is shown that cells of hadronic matter, after the early reaction phase, can be viewed as nearly chemically equilibrated. This matter never exceeds energy densities of 0.4 GeV/fm 3, i.e. a density above which the notion of separated hadrons loses its meaning. The final reaction stage is analyzed in terms of hadron ratios, freeze-out distributions and a source analysis for final state pions.
Nonequilibrium models (three-fluid hydrodynamics, UrQMD, and quark molecular dynamics) are used to discuss the uniqueness of often proposed experimental signatures for quark matter formation in relativistic heavy ion collisions from the SPS via RHIC to LHC. It is demonstrated that these models - although they do treat the most interesting early phase of the collisions quite differently (thermalizing QGP vs. coherent color fields with virtual particles) -- all yield a reasonable agreement with a large variety of the available heavy ion data. Hadron/hyperon yields, including J/Psi meson production/suppression, strange matter formation, dileptons, and directed flow (bounce-off and squeeze-out) are investigated. Observations of interesting phenomena in dense matter are reported. However, we emphasize the need for systematic future measurements to search for simultaneous irregularities in the excitation functions of several observables in order to come close to pinning the properties of hot, dense QCD matter from data. The role of future experiments with the STAR and ALICE detectors is pointed out.
The microscopic phasespace approach URQMD is used to investigate the stopping power and particle production in heavy systems at SPS and RHIC energies. We find no gap in the baryon rapidity distribution even at RHIC. For CERN energies URQMD shows a pile up of baryons and a supression of multi-nucleon clusters at midrapidity.
In this paper, the concepts of microscopic transport theory are introduced and the features and shortcomings of the most commonly used ansatzes are discussed. In particular, the Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) transport model is described in great detail. Based on the same principles as QMD and RQMD, it incorporates a vastly extended collision term with full baryon-antibaryon symmetry, 55 baryon and 32 meson species. Isospin is explicitly treated for all hadrons. The range of applicability stretches from E lab < 100$ MeV/nucleon up to E lab> 200$ GeV/nucleon, allowing for a consistent calculation of excitation functions from the intermediate energy domain up to ultrarelativistic energies. The main physics topics under discussion are stopping, particle production and collective flow.
The behavior of hadronic matter at high baryon densities is studied within Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics (URQMD). Baryonic stopping is observed for Au+Au collisions from SIS up to SPS energies. The excitation function of flow shows strong sensitivities to the underlying equation of state (EOS), allowing for systematic studies of the EOS. Effects of a density dependent pole of the rho-meson propagator on dilepton spectra are studied for different systems and centralities at CERN energies.
Microscopic calculations of central collisions between heavy nuclei are used to study fragment production and the creation of collective flow. It is shown that the final phase space distributions are compatible with the expectations from a thermally equilibrated source, which in addition exhibits a collective transverse expansion. However, the microscopic analyses of the transient states in the reaction stages of highest density and during the expansion show that the system does not reach global equilibrium. Even if a considerable amount of equilibration is assumed, the connection of the measurable final state to the macroscopic parameters, e.g. the temperature, of the transient "equilibrium" state remains ambiguous.